秦翠蘭+周嶺+王磊元+孫金龍

摘要：采用二次回歸正交旋轉組合設計方法研究棉稈的剪切和彎曲特性。通過試驗研究取樣部位、含水率和加載速度對棉稈剪切強度的影響，含水率和取樣部位對棉稈彎曲強度的影響。研究結果表明，當含水率為30%時，位于棉稈下部剪切強度達到最大，為8.69 MPa。在研究棉稈剪切強度的3個因素中，含水率和取樣部位對棉稈剪切強度影響較顯著；在研究棉稈彎曲強度的2個因素中，含水率對棉稈彎曲強度影響較顯著。本研究建立了棉稈剪切強度與含水率、取樣部位和加載速度的回歸模型及棉稈彎曲強度與含水率、取樣部位的回歸模型，所得模型與實際擬合效果較好，從而為棉稈切割、收獲機械的設計參數(shù)優(yōu)化提供技術支持。

關鍵詞：棉花秸稈；剪切；彎曲；二次回歸正交旋轉組合設計

中圖分類號： S225.91+2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）23-0203-04

我國具有豐富的棉稈資源，年產量估計為2 850萬t，新疆作為中國的三大棉區(qū)之一，棉花產量連續(xù)維持在260萬～300萬t，以1 t生產棉花要產生3～5 t棉稈計算，新疆棉花秸稈平均年產量達到1 120萬t[1]，合理高效利用棉稈資源將會帶來一定的社會經濟效益，而高效收獲棉花秸稈將成為農業(yè)機械研究的重點，因此，研究棉稈的力學特性對棉稈切割機、采棉機、殘膜收獲機等農用機械的設計具有重要的指導意義。研究棉稈力學特性指標包括：壓縮、剪切、拉伸和彎曲，針對應用目的不同，需測定不同的力學指標，如秸稈作為飼料原料，進行切割時需要測定秸稈的剪切強度、拉伸強度、摩擦和密度等[2-3]，棉花秸稈收獲機械設計需測定棉稈的剪切強度、彎曲強度和壓縮強度等性能。國內外對研究農作物秸稈的力學特性起步較早[2，4-7]Esehaghbeygi研究了小麥秸稈的彈性模量、剪切強度，得出壓實麥稈使用最小能量消耗值[8]。Igathinathane等研究玉米秸稈最大抗彎曲應力、剪切力隨取樣高度和含水率的變化規(guī)律，建立玉米秸稈彎曲能耗模型[9-11]。杜現(xiàn)軍等研究棉花秸稈的剪切和彎曲性能，含水率對棉稈的剪切強度和彎曲強度影響最大[12-13]。廖娜等研究玉米秸稈拉伸、彎曲和壓縮試驗，并應用ANSYS軟件建立玉米秸稈雙層薄壁的有限元結構模型[14]。高夢祥等研究玉米莖稈的抗拉力及葉鞘抗沖擊試驗，得出拉伸強度與莖稈直徑之間具有單因素效應[15]。

本研究針對棉花秸稈多因素分析，通過研究含水率、取樣部位和加載速度對棉稈剪切和彎曲特性的影響規(guī)律，并對單因素和交互作用進行分析，為棉稈農用機械的設計參數(shù)優(yōu)化提供技術支持。

1材料與方法

1.1試驗材料

本試驗采用新疆阿拉爾十團收割期的棉花秸稈（新陸中棉48），選取莖稈順直、無病蟲害、無缺陷及直徑為7～15 mm之間的棉稈，手工去掉殼、葉和側枝，作為本研究的試驗材料。根據剪切、彎曲力學特性試驗，試驗樣品規(guī)格見表1。

1.2試驗設備

WD-D3型微機控制電子萬能材料試驗機，GZX-9140MBE型電熱鼓風干燥箱，F(xiàn)A1004型分析電子天平，游標卡尺，普通木工鋸及剪刀等。

1.3試驗方法

由于棉稈生長并非有規(guī)則，且直徑較小，無法制備成國家標準試樣尺寸，因此，制備樣品盡量避開節(jié)點，棉花秸稈剪切性能、彎曲性能參照國家標準為GB/T 1928—2009[18]。通過棉稈剪切、彎曲試驗分別獲取棉稈被剪切、被彎曲的最大剪切力（Pτmax）、剪切強度（τ）、最大彎曲力（Pwmax）、彎曲強度（σw）[19]，測量被破壞處的直徑（D），試驗重復測量3次取其平均作為最終直徑數(shù)據。

τ=2Pτmax∏D2；（1）

A=∫x2x1f（x）dx；（2）

σw=960 000PwmaxL∏D3。（3）

1.4試驗設計

1.4.1棉稈剪切試驗設計研究棉稈的剪切特性時，采用正交旋轉組合的方法選取棉稈取樣部位（A）、含水率（B）、加載速度（C）這3個試驗因素設計方案，建立3個因素與剪切強度之間的二次回歸方程，探究單因素效應和交互影響，設計方案中實際值和編碼值對應關系見表2。

1.4.2棉稈彎曲試驗設計研究棉稈的彎曲特性時，采用正交旋轉組合的方法選取棉稈含水率（A）、取樣部位（B）2個試驗因素設計方案，建立2個因素與彎曲強度之間的二次回歸方程，探究單因素效應和交互影響，設計方案中實際值和編碼值對應關系見表3。

2結果與分析

2.1棉稈剪切試驗

2.1.1剪切強度模型建立三因素二次正交旋轉組合試驗設計及測試結果見表4。

采用Design Expert軟件，分析剪切試驗數(shù)據因變量與自變量的關系，得到在給定范圍內預測響應值的回歸模型如下：

τ=8.85+0.095A-1.191 3B+0.01C+0.14AB-0.3AC-0.02BC+0.31A2-1.23B2-0.15C2（R2=0.970 8）。

方差分析結果見表5。

從表5可以看出，失擬性不顯著（P>0.05），表明無其他

模型（P<0.000 1）具有極顯著影響，表明選取的3個試驗因素對棉稈剪切強度具有顯著影響，取樣部位（A）的一次項、二次項對棉稈剪切強度具有極顯著影響，含水率（B）的一次項、二次項對棉稈剪切強度具有顯著影響，取樣部位（A）和含水率（B）的交互項對棉稈剪切強度具有顯著影響，取樣部位（A）和加載速度（C）的交互項對棉稈剪切強度也具有顯著影響，而加載速度（C）一次項、二次項對棉稈剪切強度影響不顯著。

2.1.2單因素效應分析將回歸方程中任意2個因素歸為零水平，分別研究取樣部位（A）、含水率（B）、加載速度（C）對棉稈剪切強度的影響，單因素影響回歸模型如下。endprint

取樣部位（A）：τ=8.85+0.095A+0.31A2；

含水率（B）：τ=8.85-1.191 3B-1.23B2；

加載速度（C）：τ=8.85+0.01C-0.15C2。

從圖1可以看出，當含水率（B）、加載速度（C）固定在零水平時，棉稈剪切強度隨著取樣部位（由上部到下部）的變化呈逐漸上升的曲線變化，表明同一株棉稈底部剪切強度大于中部，中部剪切強度大于上部，由于棉稈由上到下直徑逐漸變大，即所需的力就越大，因此剪切強度就越大；當取樣部位（A）、加載速度（C）固定在零水平時，棉稈剪切強度隨著含水率增加呈上升又逐漸下降的變化趨勢，可能由于當含水率較小時（<7%），其特性近似脆性材料，易受到破壞而斷裂，當含水率逐漸升高時（17%～37%），棉稈特性近似為彈性材料，其剪切強度逐漸增加，當含水率達到47%時，其特性近似為塑性材料，棉稈受到外力作用易斷裂；當取樣部位（A）和含水率（B）固定在零水平時，棉稈剪切強度（C）剪切強度隨著加載速度的增加變化幅度不明顯，影響不顯著。

2.1.3因素間交互效應分析通過方差分析加載速度（C）對棉稈剪切強度影響不顯著，將其歸為零水平，得到取樣部位（A）和含水率（B）對棉稈剪切強度交互作用響應曲面圖（圖2）。從圖2可以看出，棉稈剪切強度隨著取樣部位的變化（由上部到下部）呈逐漸升高的曲線變化，可能由于棉稈底部具有致密的纖維組織結構及具有較高的木質素含量，使其底部剪切強度達到最大值；當取位于棉稈上部或中上部時，棉稈剪切強度隨著含水率的增加呈逐漸下降曲線變化，當取位于棉稈中下或下部時，棉稈剪切強度隨著含水率增加呈逐漸升高的曲線變化，當取樣部位位于0.25水平（即棉稈中下部），含水率在0.15水平（30%左右）時，棉稈剪切強度達到最大值，為8.69 MPa。

2.2棉稈彎曲試驗

2.2.1彎曲強度模型建立兩因素二次正交旋轉組合試驗設計及測試結果見表6。采用Design Expert軟件，分析剪切試驗數(shù)據因變量與自變量的關系，得到在給定范圍內預測響應值的回歸模型如下：

σ=5.02-0.54A+0.79B+0.47AB+0.14A2+0.58B2（R2=0.965 0）。

方差分析結果見表7。從表7可以看出，失擬性顯著，表明存在其他因素對結果產生影響，確定系數(shù)R2=0.965 0，信噪比=12.71，CV（Y的變異系數(shù)）=1.47%，表明回歸模型的實際值與預測值非常吻合，可信度和擬合度均很高，因此模型成立。

模型（P<0.000 1）具有極顯著影響，表明選取的2個試

2.2.2單因素效應分析將回歸模型方程中任意一因素歸為零水平，分別研究含水率（A）、取樣部位（B）對棉稈彎曲強度的影響，單因素影響回歸模型如下。

含水率（A）：σw=5.02-0.54A+0.14A2

取樣部位（B）：σw=5.02-0.79B+0.58B2

從圖3可以看出，當取樣部位（B）固定在零水平時，棉稈彎曲強度隨著含水率增加呈逐漸下降的變化趨勢，可能由于含水率的升高，棉稈近似為塑性材料，即棉稈受到彎曲力而斷裂；當含水率（A）固定在零水平時，棉稈彎曲強度隨著取樣部位（由上部到下部）的變化呈正相關的變化趨勢，可能由于與棉稈木質素分布有關，棉稈由上部到下部，其木質素含量逐漸降低，且直徑由大逐漸變小，因此，棉稈底部具有較大的強度，進而支撐整株棉稈。

2.2.3因素間交互效應分析含水率（A）和取樣部位（B）對棉稈彎曲強度的影響見圖4。

從圖4可以看出，當含水率小于27%時，棉稈彎曲強度隨著取樣部位的變化（由上部到下部）呈緩慢增加的變化趨勢，當含水率大于37%時，棉稈彎曲強度隨著取樣部位的變化呈直線增加的趨勢，可能由于棉稈底部具有致密的組織結構，且底部直徑較大，需要更大的力才能受到破壞，因此底部彎度強度值最大。

3結論

采用三因素、二因素二次回歸正交旋轉組合方法，建立棉稈剪切強度與含水率、取樣部位和加載速度的回歸模型，建立棉稈彎曲強度與含水率和取樣部位的回歸模型，所得模型與實際擬合效果較好，為棉稈切割、收獲機械的設計與改參數(shù)優(yōu)化提供技術支持。由棉稈剪切試驗回歸模型分析可得，加載速度對棉稈剪切強度影響不顯著，含水率和取樣部位對棉稈剪切強度影響極顯著，當含水率為30%時，棉稈取樣部位在中下部，棉稈剪切強度達到最大值，其值為8.69 MPa。由棉稈彎曲試驗回歸模型分析可得，含水率和取樣高度的二次項對棉稈彎曲強度影響較顯著，隨著取樣部位的逐漸增加，棉稈彎曲強度呈現(xiàn)整體上升的變化趨勢。

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